Direct power generation from waste

Direct power generation from waste coffee grounds
in a biomass fuel cell
Hansaem Jang a, Joey D. Ocon a, c, Seunghwa Lee a, Jae Kwang Lee b, Jaeyoung Lee a, b, *
a Electrochemical Reaction and Technology Laboratory (ERTL), School of Environmental Science and Engineering, Gwangju Institute of Science and
Technology (GIST), Gwangju, 500-712, South Korea
b Ertl Center for Electrochemistry and Catalysis, Research Institute for Solar and Sustainable Energies, GIST, Gwangju, 500-712, South Korea
c Laboratory of Electrochemical Engineering (LEE), Department of Chemical Engineering, College of Engineering, University of the Philippines Diliman, 1101,
Philippines
h i g h l i g h t s g r a p h i c a l a b s t r a c t

Waste biomass is directly employed
as a fuel with no any special
treatment.

Waste coffee ground is a fuel for
SOFC-based carbon fuel cell
technology.

Carbonization and gasification take
place under experimental
temperature.

Produced in-situ gaseous compounds
highly enhance electrochemical
reaction.
a r t i c l e i n f o
Article history:
Received 8 June 2015
Received in revised form
9 July 2015
Accepted 19 July 2015
Available online 1 August 2015
Keywords:
Direct carbon fuel cell
Solid oxide fuel cell
Carbon fuel cell
Biomass
Waste coffee ground
a b s t r a c t
We demonstrate the possibility of direct power generation from waste coffee grounds (WCG) via hightemperature
carbon fuel cell technology. At 900 C, the WCG-powered fuel cell exhibits a maximum
power density that is twice than carbon black. Our results suggest that the heteroatoms and hydrogen
contained in WCG are crucial in providing good cell performance due to its in-situ gasification, without
any need for pre-reforming. As a first report on the use of coffee as a carbon-neutral fuel, this study
shows the potential of waste biomass (e.g. WCG) in sustainable electricity generation in fuel cells.
© 2015 Elsevier B.V. All rights reserved.
1. Introduction
The worldwide clamor towards less dependence on fossil fuels,
due to the emission of greenhouse gases and energy security issues,
has led to the strong interest in using biomass energy [1]. As an
alternative, renewable energy source, biomass absorbs the same
amount of carbon dioxide (CO2) during plant growth, contributing
less to global warming. The only remaining issue, however, is how
to produce energy from biomass without competing with food
supply over the use of arable lands [1]. As such, utilization of waste
biomass byproducts, especially from the food and beverage industry,
is key to solving this problem.
* Corresponding author. Electrochemical Reaction and Technology Laboratory
(ERTL), School of Environmental Science and Engineering, Gwangju Institute of
Science and Technology (GIST), Gwangju, 500-712, South Korea.
E-mail address: [e-mail] (J. Lee).
Contents lists available at ScienceDirect
Journal of Power Sources
journal homepage: www.elsevier.com/locate/jpowsour
http://dx.doi.org/10.1016/j.jpowsour.2015.07.059
0378-7753/© 2015 Elsevier B.V. All rights reserved.
Journal of Power Sources 296 (2015) 433e439
Waste coffee grounds (WCG) are an abundant resource for
biomass-to-energy conversion technologies. The worldwide coffee
consumption has steadily increased over the past decades, reaching
an annual consumption of 8.8 million metric tons and leading to
enormous amounts of organic wastes [2]. There have been various
attempts in using WCG but most of these methods generate byproducts
that should be discarded in landfills or eventually incinerated
[3e8]. For example, Sena da Fonseca et al. [3] found that
WCG can be added to clay ceramics to enhance the mechanical
strength due to increased water absorption and porosity. Several
research groups [4e8] investigated the adsorption properties of
polyhydroxy polyphenol functional groups in WCG and WCGderived
char on heavy metals. In addition, some researchers
[9,10] studied WCG reforming with pyrolysis in order to produce
bio-oil, which can then be processed to synthesize high value
chemicals. Recently, biodiesel was produced from WCG [11,12],
with the oil content, saponifiable lipids, and lipid profile varying
according to the regional location and brewing technique [12].
On the other hand, using WCG as fuel in a carbon fuel cell
technology with a solid oxide electrolyte renders multiple advantages.
This electrochemical technology offers higher efficiency
because it is not subject to Carnot limitations [13]. It mainly produces
CO2, which could be captured and reused, and a small
amount of ashes, from which metals and/or other materials could
be retrieved [14,15]. Additionally, it does not require intermediate
conversion steps or pretreatment, improving the overall process
efficiency relative to conventional methods [16e19]. Biomassbased
carbon fuel cells can be categorized by a fuel treatment
method: i. fuel as a carbonized biomass [14,15,20e22], ii. fuel as a
gasified biomass (similar technique to that of integrated gasification
fuel cell, IGFC) [23e26], and iii. fuel as an untreated biomass
[27]. While there have been previous studies using biomass-based
carbon fuel cells as recapitulated above, this is the first report on
the performance of WCG-powered fuel cells, without the need for
pre-treatment or gasification.
In this study, we showed the direct electrochemical oxidation
performance of WCG-powered anodes, in comparison with that of
carbon black (CB). A detailed analysis on the chemical composition
and nature ofWCG and carbonizedWCG was performed in order to
explain its electrochemical behavior.
2. Experimental
2.1. Preparation of biomass fuel cells
Waste coffee grounds (WCG, Tanay Hills Coffee Beanery,
Hazelnut Arabica, Philippines) were dried at room temperature for
three days (

Results (Thai) 1:

ไฟฟ้าโดยตรงจากสนามเสียกาแฟในเซลล์เชื้อเพลิงชีวมวลHansaem Jang Ocon D. โจ a, a, c ลี Seunghwa a กวางแจลีบี ลี Jaeyoung a, b, *ปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมีและเทคโนโลยีห้องปฏิบัติการ (ERTL), วิชาวิทยาศาสตร์สิ่งแวดล้อมและวิศวกรรม กวาง สถาบันวิทยาศาสตร์ และเทคโนโลยี (เนื้อ), กวางจู เกาหลีใต้ 500-712ศูนย์ไฟฟ้าเคมีและการเร่งปฏิกิริยา การวิจัย สถาบันสำหรับพลังงานแสงอาทิตย์ และยั่งยืน เนื้อ กวางจู เกาหลีใต้ 500-712, Ertl บีห้องปฏิบัติการวิศวกรรมไฟฟ้า (ลี), ภาควิชาวิศวกรรมเคมี วิทยาลัยวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยฟิลิปปินส์สามารถใช้ 1101, cฟิลิปปินส์h ฉัน g h l ฉัน g h t s g r p เป็น h ฉัน c l กับ b s t r c tชีวมวลขยะเป็นลูกจ้างโดยตรงเป็นเชื้อเพลิงพิเศษใด ๆ ไม่รักษากาแฟพื้นเสียเป็นเชื้อเพลิงสำหรับเซลล์เชื้อเพลิง SOFC ใช้คาร์บอนเทคโนโลยีใช้ carbonization และการแปรสภาพเป็นแก๊สทำภายใต้การทดลองอุณหภูมิผลิตในการวิเคราะห์สารประกอบเป็นต้นสูงเพิ่มไฟฟ้าปฏิกิริยาการr t ฉัน c l e ฉัน n f oบทความประวัติ:ได้รับ 8 2015 มิถุนายนได้รับในแบบฟอร์มการปรับปรุง9 2015 กรกฎาคมยอมรับ 19 2015 กรกฎาคมมีออนไลน์ 1 2015 สิงหาคมคำสำคัญ:เซลล์เชื้อเพลิงคาร์บอนโดยตรงเซลล์เชื้อเพลิงออกไซด์ของแข็งเซลล์เชื้อเพลิงคาร์บอนชีวมวลกาแฟเสียดินแบบ b s t r c tเราแสดงให้เห็นถึงความเป็นไปได้ของพลังโดยตรงจากเสียกาแฟเนส (WCG) ผ่าน hightemperatureเทคโนโลยีเซลล์เชื้อเพลิงคาร์บอน ที่ 900 C เซลล์เชื้อเพลิงขับเคลื่อน WCG จัดแสดงมากที่สุดความหนาแน่นพลังงานที่สองมากกว่าคาร์บอนสีดำ ผลของเราแนะนำที่ heteroatoms และไฮโดรเจนอยู่ใน WCG มีความสำคัญในการให้ประสิทธิภาพดีเซลล์เนื่องจากการแปรสภาพเป็นแก๊สในการวิเคราะห์ของ ไม่มีใด ๆ ต้องการปฏิรูปก่อน เป็นรายงานแรกในการใช้กาแฟเป็นเชื้อเพลิงคาร์บอน-กลาง ศึกษาแสดงศักยภาพของชีวมวลขยะ (เช่น WCG) ในยั่งยืนไฟฟ้าในเซลล์เชื้อเพลิง© 2015 Elsevier b.v สงวนลิขสิทธิ์ทั้งหมด1. บทนำก้องทั่วโลกต่อน้อยพึ่งพาเชื้อเพลิงฟอสซิลเนื่องจากมลพิษของก๊าซเรือนกระจกและปัญหาด้านความปลอดภัยพลังงานได้นำไปสนใจแข็งแรงในการใช้ชีวมวลพลังงาน [1] เป็นการแหล่งพลังงานทดแทน ทดแทน ชีวมวลดูดซับเหมือนกันจำนวนก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) ในระหว่างการเจริญเติบโตของพืช สนับสนุนน้อยกับภาวะโลกร้อน เหลือปัญหาเดียว อย่างไร เป็นอย่างไรการผลิตพลังงานจากชีวมวลโดยไม่ต้องแข่งขันกับอาหารจัดหาผ่านการใช้ที่ดินเพาะปลูก [1] เป็นการใช้ประโยชน์ของเสียดังกล่าวสารชีวมวล โดยเฉพาะอย่างยิ่งจากอุตสาหกรรมอาหารและเครื่องดื่มคีย์ที่จะแก้ปัญหานี้ได้* ผู้สอดคล้องกัน ปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมีและห้องปฏิบัติการเทคโนโลยี(ERTL), วิชาวิทยาศาสตร์สิ่งแวดล้อมและวิศวกรรม กวาง สถาบันวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี (เนื้อ), กวาง 500-712 ประเทศเกาหลีใต้ที่อยู่อีเมล: (เจลี) ใน [e-mail]เนื้อหารายการ ScienceDirectสมุดรายวันของแหล่งจ่ายไฟหน้าแรกของสมุดรายวัน: www.elsevier.com/locate/jpowsourhttp://dx.doi.org/10.1016/j.jpowsour.2015.07.0590378-7753 / © 2015 Elsevier b.v สงวนลิขสิทธิ์ทั้งหมดสมุดรายวันของพลังงานแหล่ง 296 433e439 (2015)จากกาแฟเสีย (WCG) มีทรัพยากรอุดมสมบูรณ์สำหรับเทคโนโลยีแปลงชีวมวลเพื่อพลังงาน กาแฟทั่วโลกปริมาณการใช้ได้อย่างต่อเนื่องเพิ่มขึ้นกว่าทศวรรษที่ผ่านมา เข้าถึงการใช้รายปีของ 8.8 ล้านเมตริกตัน และนำไปจำนวนเงินที่มหาศาลของเสียอินทรีย์ [2] มีต่าง ๆความพยายามในการใช้ WCG แต่ส่วนใหญ่วิธีการเหล่านี้สร้างสารที่ควรละทิ้งใน landfills หรือ incinerated ในที่สุด[3e8] . เช่น เสนา da Fonseca et al. [3] พบว่าWCG สามารถเพิ่มเครื่องเคลือบดินเผาเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพเครื่องกลความแข็งแรงการดูดซึมน้ำและ porosity หลายคุณสมบัติการดูดซับของการตรวจสอบงานวิจัย [4e8]กลุ่ม functional polyphenol polyhydroxy WCG และ WCGderivedอักขระบนโลหะหนัก นอกจากนี้ นักวิจัยบาง[9,10] เรียน WCG ปฏิรูป ด้วยชีวภาพเพื่อผลิตชีวภาพ น้ำมันซึ่งสามารถประมวลผลได้สังเคราะห์ค่าสูงแล้วสารเคมี ล่าสุด ไบโอดีเซลที่ผลิตจาก WCG [11,12],กับปริมาณน้ำมัน โครงการ saponifiable และไขมันค่าแตกต่างกันตามที่ตั้งในภูมิภาคและทำการหมักเทคนิค [12]บนมืออื่น ๆ ใช้ WCG เป็นเชื้อเพลิงในเซลล์เชื้อเพลิงคาร์บอนเทคโนโลยีกับอิเล็กโทรแบบออกไซด์ของแข็งทำประโยชน์หลายเทคโนโลยีไฟฟ้ามีประสิทธิภาพสูงกว่าเนื่องจากมันไม่ได้ขึ้นอยู่กับข้อจำกัด Carnot [13] ส่วนใหญ่สร้างCO2 ซึ่งสามารถจะจับภาพ และนำกลับมาใช้ และขนาดเล็กจำนวนขี้เถ้า ซึ่งโลหะหรือวัสดุอื่น ๆ สามารถสามารถดึงข้อมูล [14,15] นอกจากนี้ ไม่ต้องระดับกลางขั้นตอนการแปลงหรือ pretreatment ปรับปรุงกระบวนการโดยรวมประสิทธิภาพเมื่อเทียบกับวิธีการทั่วไป [16e19] Biomassbasedเซลล์เชื้อเพลิงคาร์บอนสามารถจำแนกประเภทตามรักษาน้ำมันเชื้อเพลิงวิธีการ: i. น้ำมันเป็นเป็นถ่านชีวมวล [14,15, 20e22], ii เชื้อเพลิงเป็นการชีวมวล gasified (คล้ายเทคนิคการที่รวมการแปรสภาพเป็นแก๊สเซลล์เชื้อเพลิง IGFC) [23e26], และ iii เชื้อเพลิงที่เป็นชีวมวลไม่ถูกรักษา[27] ในขณะที่มีการศึกษาก่อนหน้านี้ที่ใช้ชีวมวลโดยใช้เซลล์เชื้อเพลิงคาร์บอนเป็น recapitulated เหนือ เป็นรายการแรกประสิทธิภาพของ WCG พลังงานเซลล์เชื้อเพลิง โดยไม่ต้องก่อนการรักษาหรือการแปรสภาพเป็นแก๊สในการศึกษานี้ ดังที่เกิดออกซิเดชันทางเคมีไฟฟ้าโดยตรงประสิทธิภาพของการขับเคลื่อน WCG anodes เมื่อเปรียบเทียบกับของคาร์บอนสีดำ (CB) วิเคราะห์ในองค์ประกอบทางเคมีและทำเพื่อธรรมชาติ ofWCG และ carbonizedWCGอธิบายลักษณะการทำงานของไฟฟ้า2. ทดลอง2.1 การเตรียมการของชีวมวลเซลล์เชื้อเพลิงเสียจากกาแฟ (WCG, Tanay ฮิลล์กาแฟ Beaneryอาราบิก้าเฮเซลนัท ฟิลิปปินส์) ที่แห้งที่อุณหภูมิห้องในวันที่สาม (< ความชื้นสัมพัทธ์ 50%) ผงคาร์บอนดำใช้เป็นเชื้อเพลิงอ้างอิงเนื่องจากความสูง (ENSACO 350G, Timcal)คาร์บอนบริสุทธิ์ ปุ่มสนับสนุนแอโนดใช้ได้ในเชิงพาณิชย์กำหนดให้ Pt เป็นชนิดเซลล์ (99.9%, 52 ตาข่าย อัลฟา Aesar) ปัจจุบันเก็บรวบรวมใช้ Ag วาง (Kasei บริษัทฟูจิคูระ) เซลล์ ซึ่งเป็นประกอบเป็นแอโนด 8YSZ เป็นอิเล็กโทร และทต้าเป็น Ni YSZแคโทด มีแอร์ปิดสนิทใช้ sealants (Thermiculite 866, USAAremco ceramabond 668) เพื่อป้องกันการสันดาปของเชื้อเพลิงในระหว่างปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมี2.2 การไฟฟ้าจำแนกดำเนินการทดลองเซลล์เชื้อเพลิงใช้การอย่างเหมาะสมออกแบบเครื่องมือประกอบด้วยใบอลูมินาเซรามิกเครื่องปฏิกรณ์ การเตาและเวิร์กสเตชันการไฟฟ้า (เซลล์นาราเทคนิค) ที่ทดสอบประสิทธิภาพการใช้พลังงานได้ดำเนินการที่อุณหภูมิแตกต่างกัน:750 C, 800 C, 850 C และ c 900 Reactorwas ความร้อนขึ้นในอัตรา 5 ซีนาที 1 ถึงปฏิกิริยาต้อง rampingอุณหภูมิ เมื่ออุณหภูมิถึงถึง 600 C จากอุณหภูมิห้อง หอแอโนดถูกลบออก โดยการลบบริสุทธิ์ Ar ก๊าซ (99.999%) ในอัตราต่ำสุด 30 mL 1 เพื่อกำจัดภายในO2 ซึ่งสามารถออกซิไดซ์เชื้อเพลิง ในขณะเดียวกัน O2 บริสุทธิ์ (99.99%) ก๊าซอย่างต่อเนื่องถูกเลี้ยงในอัตราขั้นต่ำ 50 mL 1 ด้านแคโทดFig. 1 ปัจจุบันมีศักยภาพ (เจ-V) และ - โค้งพลังงาน (j-P) ของเซลล์เชื้อเพลิงคาร์บอนโดยใช้(ก) (ข) และดำคาร์บอนเสียจากกาแฟที่อุณหภูมิแตกต่างกัน: 750 C, C -800 C,: 850 C และ ค. 900Fig. 2 ต้านทานความถี่สูงวัดของคาร์บอนสีดำ (สีดำเส้นทึบด้วยcircles, C) and waste coffee grounds (red dash line with squares, -) (For interpretationof the references to color in this figure legend, the reader is referred to the webversion of this article.).434 H. Jang et al. / Journal of Power Sources 296 (2015) 433e439The gases entering the reactor were preheated and kept at 100 C toprevent a dramatic temperature drop, which could influence thecell resistance [28,29]. During operation, the internal cell resistancewas measured with an AC-impedance meter (3560 ACmU HiTester,Hioki) at 1 kHz.2.3. CharacterizationProximate analysis (ASTM D3172) of WCG showed a highamount of volatile matter, which could be continuously ventilatedout by Ar gas up to 600 C in the experiment. Hence, the carbonizationwasperformed at 950 C under the presence of atmosphericoxygen without any inflow in order to foster a similar atmospherewith that in the reactor for characterizing and understanding thebehavior of the fuels. Characterization with FE-SEM (S-4700, Hitachi)and XRD (MiniFlex II, Rigaku) exhibited that carbonizationprocess left a carbon backbone after volatilization of WCG.To better understand the gasification and oxidation reactions,TGA was carried out in the experimental temperature range at aramp setting of 5 C min1 from room temperature to 900 C. Toreflect the real experimental condition, TGA was done in air (TGA-50H, Shimadzu) and N2 gas (SDT Q600, TA Instruments Ltd.). Theresults of TGA indicated that theWCG experiment displayed uniquetrends, which were not found in the test with pure carbon. Thus,elemental analyzers were employed for estimating organic mattercomposition (CHN-S: Flash 2000, Thermo Fisher; O: EA-1110,Thermo Quest). The result showed the presence of hydrogen andheteroatoms even after carbonization, which implies various reactionsincluding gasification are available to occur in the range ofexperimental temperature since the carbonization was proceededat 950 C. These various reactions could happen due to gasification;therefore, gas analysis was performed to figure out the gascomposition of the anode chamber at the experimental conditionand to identify the gasification reactions. WCG was placed in ahorizontal furnace and then heated at the same temperaturesetting with that in the electrochemical tests. The furnace was putin a vacuum condition and then was fed with Ar gas at a rate of50 mL min1 until the sampling was finished. At the each pause,product gas was sampled and then analyzed with GC (7590A,Agilent Technologies)/MS (5975C, Agilent Technologies). In addition,surface area analysis (Belsorp max, BEL Japan. INC.) was alsoTable 1The proxi

Results (Thai) 2:

การผลิตกระแสไฟฟ้าได้โดยตรงจากกากกาแฟของเสียในเซลล์เชื้อเพลิงชีวมวล
Hansaem จางโจอี้ดี Ocon A, C, Seunghwa ลี, ลีกวางแจข Jaeyoung ลี b, *
ปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมีและเทคโนโลยีห้องปฏิบัติการ (ERTL) โรงเรียนวิทยาศาสตร์สิ่งแวดล้อมและวิศวกรรม,
กวางจูสถาบันวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี(GIST) กวางจู, 500-712,
เกาหลีใต้ขErtl ศูนย์เคมีไฟฟ้าและการเร่งปฏิกิริยาสถาบันวิจัยพลังงานแสงอาทิตย์และยั่งยืนจี, กวางจู, 500-712, เซา
เกาหลีคห้องปฏิบัติการวิศวกรรมไฟฟ้า(LEE) ภาควิชาวิศวกรรมเคมี, วิทยาลัยวิศวกรรมศาสตร์มหาวิทยาลัยฟิลิปปินส์ Diliman, 1101,
ฟิลิปปินส์ชั่วโมง ighlightsgraphicalabs ระบบทางเดิน? ชีวมวลของเสียเป็นลูกจ้างโดยตรงเป็นเชื้อเพลิงที่ไม่มีการใด ๆ เป็นพิเศษการรักษา.? พื้นดินกาแฟของเสียเป็นเชื้อเพลิงสำหรับคาร์บอน SOFC ที่ใช้เซลล์เชื้อเพลิงเทคโนโลยี.? ถ่านและก๊าซนำขึ้นภายใต้การทดลองอุณหภูมิ.? ผลิตในแหล่งกำเนิดสารก๊าซสูงเพิ่มการไฟฟ้าปฏิกิริยา. articleinfo ประวัติศาสตร์บทความที่ได้รับ 8 มิถุนายน 2015 ที่ได้รับในรูปแบบแก้ไข9 กรกฎาคม 2015 ได้รับการยอมรับ 19 กรกฎาคม 2015 พร้อมให้บริการออนไลน์ 1 สิงหาคม 2015 คำสำคัญ: เซลล์เชื้อเพลิงคาร์บอนโดยตรงเซลล์เชื้อเพลิงออกไซด์ของแข็งคาร์บอนเซลล์เชื้อเพลิงชีวมวลของเสียกาแฟbstract เราแสดงให้เห็นถึงความเป็นไปได้ของการผลิตกระแสไฟฟ้าโดยตรงจากกากกาแฟเสีย (WCG) ผ่าน hightemperature คาร์บอนเทคโนโลยีเซลล์เชื้อเพลิง ที่ 900? C, เซลล์เชื้อเพลิง WCG ขับเคลื่อนการจัดแสดงนิทรรศการสูงสุดความหนาแน่นของพลังงานที่เป็นสองเท่ากว่าคาร์บอนสีดำ ผลของเราแสดงให้เห็นว่า heteroatoms และไฮโดรเจนที่มีอยู่ในWCG มีความสำคัญในการให้ประสิทธิภาพการทำงานของเซลล์ที่ดีเนื่องจากการผลิตก๊าซในแหล่งกำเนิดของตนโดยไม่มีความจำเป็นใดๆ ก่อนการปฏิรูป ในฐานะที่เป็นรายงานครั้งแรกในการใช้กาแฟเป็นเชื้อเพลิงคาร์บอนสมดุลการศึกษาครั้งนี้แสดงให้เห็นถึงศักยภาพของชีวมวลของเสีย (เช่น WCG) ในการผลิตไฟฟ้าอย่างยั่งยืนในเซลล์เชื้อเพลิง. © 2015 Elsevier BV สงวนลิขสิทธิ์. 1 บทนำเสียงโห่ร้องทั่วโลกที่มีต่อการพึ่งพาอาศัยกันน้อยลงในเชื้อเพลิงฟอสซิลอันเนื่องมาจากการปล่อยก๊าซเรือนกระจกและปัญหาด้านความปลอดภัยพลังงานได้นำไปสู่ความสนใจอย่างมากในการใช้พลังงานชีวมวล[1] ในฐานะที่เป็นทางเลือกแหล่งพลังงานทดแทนชีวมวลดูดซับเดียวกันปริมาณก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์(CO2) ในระหว่างการเจริญเติบโตของพืชที่เอื้อน้อยกว่าในการลดภาวะโลกร้อน ปัญหาที่เหลืออยู่เพียง แต่เป็นวิธีการในการผลิตพลังงานจากชีวมวลโดยไม่ต้องแข่งขันกับอาหารอุปทานมากกว่าการใช้ที่ดินทำกิน[1] เช่นการใช้ประโยชน์ของเสียสารชีวมวลโดยเฉพาะจากอุตสาหกรรมอาหารและเครื่องดื่มเป็นกุญแจสำคัญในการแก้ปัญหานี้. * ผู้รับผิดชอบ ปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมีในห้องปฏิบัติการและเทคโนโลยี(ERTL) โรงเรียนวิทยาศาสตร์สิ่งแวดล้อมและวิศวกรรม, กวางจูสถาบันวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี(GIST) กวางจู, 500-712, เกาหลีใต้. ที่อยู่ E-mail: [e-mail] (เจ ลี). รายการเนื้อหาที่มีอยู่ใน ScienceDirect วารสารพลังงานแหล่งที่มาวารสารหน้าแรก: www.elsevier.com/locate/jpowsour http://dx.doi.org/10.1016/j.jpowsour.2015.07.059 0378-7753 / 2015 ©เอลส์ BV สงวนลิขสิทธิ์. วารสารแหล่งพลังงาน 296 (2015) 433e439 กากกาแฟของเสีย (WCG) เป็นทรัพยากรที่อุดมสมบูรณ์สำหรับเทคโนโลยีการแปลงพลังงานชีวมวลเป็นพลังงาน กาแฟทั่วโลกบริโภคได้เพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ ในช่วงทศวรรษที่ผ่านมาถึงบริโภคประจำปี8.8 ล้านตันและนำไปสู่จำนวนมหาศาลของขยะอินทรีย์[2] มีการต่างๆพยายามในการใช้ WCG แต่ส่วนมากของวิธีการเหล่านี้สร้างผลพลอยได้ที่ควรจะทิ้งในหลุมฝังกลบหรือเผาในที่สุด[3E8] ยกตัวอย่างเช่นเสนา da Fonseca et al, [3] พบว่าWCG สามารถเพิ่มเซรามิกดินเพื่อเพิ่มกลความแข็งแรงเนื่องจากการดูดซึมน้ำที่เพิ่มขึ้นและความพรุน หลายกลุ่มวิจัย [4e8] การตรวจสอบคุณสมบัติการดูดซับของกลุ่มทำงานpolyhydroxy โพลีฟีนใน WCG และ WCGderived ถ่านบนโลหะหนัก นอกจากนี้นักวิจัยบางคน[9,10] WCG ปฏิรูปการศึกษากับไพโรไลซิเพื่อผลิตไบโอน้ำมันซึ่งจากนั้นจะสามารถประมวลผลในการสังเคราะห์ที่มีมูลค่าสูงสารเคมี เมื่อเร็ว ๆ นี้ได้รับการผลิตไบโอดีเซลที่ผลิตจาก WCG [11,12] ที่มีเนื้อหาน้ำมันไขมัน saponifiable และรายละเอียดที่แตกต่างกันของไขมันตามสถานที่ตั้งในระดับภูมิภาคและเทคนิคการผลิตเบียร์[12]. ในทางกลับกันการใช้ WCG เป็นเชื้อเพลิงในน้ำมันเชื้อเพลิงคาร์บอน เซลล์เทคโนโลยีที่มีอิเล็กโทรไลออกไซด์ของแข็งวาทกรรมข้อดีหลาย. ซึ่งเป็นเทคโนโลยีที่มีไฟฟ้ามีประสิทธิภาพสูงเพราะมันไม่ได้ภายใต้ข้อ จำกัด การ์โนต์ [13] นั้นส่วนใหญ่ผลิตCO2 ซึ่งอาจจะถูกจับและนำกลับมาใช้และขนาดเล็กปริมาณของเถ้าถ่านจากการที่โลหะและ/ หรือวัสดุอื่น ๆ ที่อาจจะดึง[14,15] นอกจากนี้ก็ไม่จำเป็นต้องมีขั้นกลางขั้นตอนการแปลงหรือการปรับสภาพการปรับปรุงกระบวนการโดยรวมมีประสิทธิภาพเมื่อเทียบกับวิธีการแบบเดิม[16e19] Biomassbased คาร์บอนเซลล์เชื้อเพลิงสามารถแบ่งได้โดยการรักษาน้ำมันเชื้อเพลิงวิธีการ: ฉัน เชื้อเพลิงชีวมวลเป็นถ่าน [14,15,20e22] ii เป็นเชื้อเพลิงชีวมวลก๊าซ(เทคนิคที่คล้ายกับที่ของก๊าซแบบบูรณาการเซลล์เชื้อเพลิงIGFC) [23e26] และ iii เชื้อเพลิงชีวมวลเป็นได้รับการรักษา[27] ขณะที่มีการศึกษาก่อนหน้านี้โดยใช้ชีวมวลที่ใช้เซลล์เชื้อเพลิงคาร์บอน recapitulated ข้างต้นนี้เป็นรายงานครั้งแรกในการปฏิบัติงานของWCG ขับเคลื่อนเซลล์เชื้อเพลิงโดยไม่จำเป็นต้องสำหรับการรักษาก่อนหรือก๊าซ. ในการศึกษานี้เราแสดงให้เห็นโดยตรง การเกิดออกซิเดชันไฟฟ้าประสิทธิภาพการทำงานของanodes WCG ขับเคลื่อนในการเปรียบเทียบกับที่ของคาร์บอนสีดำ (CB) การวิเคราะห์รายละเอียดเกี่ยวกับองค์ประกอบทางเคมีและธรรมชาติ ofWCG และ carbonizedWCG ได้ดำเนินการเพื่อที่จะอธิบายพฤติกรรมไฟฟ้าของ. 2 การทดลอง2.1 การเตรียมการของเซลล์เชื้อเพลิงชีวมวลของเสียกากกาแฟ (WCG, Tanay ฮิลส์คอฟฟี่บีนเนอรี่, เฮเซลนัทอาราบิก้า, ฟิลิปปินส์) ได้รับการอบแห้งที่อุณหภูมิห้องเป็นเวลาสามวัน(<ความชื้นสัมพัทธ์ 50%) ผงคาร์บอนสีดำ(ENSACO 350G, Timcal) ถูกนำมาใช้เป็นเชื้อเพลิงในการอ้างอิงเนื่องจากความสูงของความบริสุทธิ์คาร์บอน ปุ่มใช้ได้ในเชิงพาณิชย์ขั้วบวกสนับสนุนเซลล์ชนิดได้รับการแก้ไขไปยังจุด (99.9%, 52 ตาข่าย Alfa Aesar) ปัจจุบันเก็บใช้วางAg (Fujikura Kasei) เซลล์ซึ่งจะประกอบด้วย Ni-YSZ เป็นขั้วบวก 8YSZ เป็นอิเล็กโทรไลและ LSM เป็นแคโทดเป็นเครื่องปิดผนึกที่ใช้เคลือบหลุมร่องฟัน(Thermiculite 866 ที่สหรัฐอเมริกา; Aremco ceramabond 668) เพื่อป้องกันการเผาไหม้ของเชื้อเพลิงในช่วง. ปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมี2.2 . ลักษณะไฟฟ้าเซลล์เชื้อเพลิงทดลองได้ดำเนินการอย่างดีที่สุดโดยใช้เครื่องมือการออกแบบประกอบด้วยอลูมินาเซรามิกเครื่องปฏิกรณ์ที่เตาและเวิร์คสเตชั่ไฟฟ้าเคมี(NARA เซลล์เทค) การทดสอบประสิทธิภาพการใช้พลังงานได้ดำเนินการที่อุณหภูมิที่แตกต่างกัน? 750 ซีซี 800, 850 ซีซีและ 900? reactorwas ร้อนขึ้นในอัตราที่กระโจน5? C นาที 1 ถึงปฏิกิริยาที่ต้องการอุณหภูมิ เมื่ออุณหภูมิถึงถึง 600? C จากอุณหภูมิห้องห้องขั้วบวกถูกกำจัดออกโดยการล้างก๊าซบริสุทธิ์เท่น(99.999%) ในอัตรา 30 มิลลิลิตรนาที 1 ที่จะกำจัดภายในO2 ซึ่งสามารถออกซิไดซ์น้ำมันเชื้อเพลิง ในขณะที่บริสุทธิ์ O2 (99.99%) ก๊าซเป็นอาหารอย่างต่อเนื่องในอัตรา50 มลนาที 1 ไปด้านข้างแคโทด. รูป 1. เงินที่มีศักยภาพ (JV) และ -Power (JP) เส้นโค้งของเซลล์เชื้อเพลิงคาร์บอนใช้(ก) คาร์บอนสีดำและ (ข) ของเสียกากกาแฟที่อุณหภูมิที่แตกต่างกัน? - 750 C, C? C 800: 850 C , และ; 900 องศาเซลเซียส. รูป 2. การวัดความต้านทานความถี่สูงของคาร์บอนสีดำ (เส้นทึบสีดำกับวงการC) และกากกาแฟเสีย (สายสีแดงที่มีเส้นประสี่เหลี่ยม -) (สำหรับการตีความของการอ้างอิงในการสีในตำนานตัวเลขนี้ผู้อ่านจะเรียกว่าเว็บรุ่นของบทความนี้.). 434 เอชจาง et al, / วารสารแหล่งพลังงาน 296 (2015) 433e439 ก๊าซเข้าเครื่องปฏิกรณ์ที่ถูกอุ่นและเก็บไว้ที่ 100? C เพื่อป้องกันไม่ให้อุณหภูมิลดลงอย่างมากซึ่งอาจมีผลต่อความต้านทานเซลล์[28,29] ระหว่างการดำเนินการต่อต้านเซลล์ภายในวัดด้วยมิเตอร์ AC-ต้านทาน (3560 ACmU HiTester, Hioki) ณ วันที่ 1 kHz. 2.3 ลักษณะการวิเคราะห์ใกล้เคียง (ASTM D3172) ของ WCG สูงแสดงให้เห็นว่าปริมาณของสารระเหยซึ่งอาจจะมีการระบายอากาศอย่างต่อเนื่องโดยAr ก๊าซได้ถึง 600 องศาเซลเซียสในการทดลอง ดังนั้น carbonizationwas ดำเนินการที่ 950 องศาเซลเซียสภายใต้การปรากฏตัวของบรรยากาศออกซิเจนไหลเข้าโดยไม่ต้องใดๆ เพื่อที่จะส่งเสริมให้เกิดบรรยากาศที่คล้ายกับที่ในเครื่องปฏิกรณ์สำหรับพัฒนาการและการทำความเข้าใจพฤติกรรมของเชื้อเพลิง ลักษณะที่มี FE-SEM (S-4700 ฮิตาชิ) และ XRD (MiniFlex ครั้งที่สองของ Rigaku) ​​แสดงว่าถ่านกระบวนการซ้ายกระดูกสันหลังคาร์บอนหลังจากระเหยของWCG. เพื่อทำความเข้าใจปฏิกิริยาก๊าซและออกซิเดชันTGA ได้ดำเนินการในอุณหภูมิทดลอง ช่วงที่การตั้งค่าทางลาด5? C นาที 1 จากอุณหภูมิห้องถึง 900 องศาเซลเซียส เพื่อสะท้อนให้เห็นถึงสภาพการทดลองจริง TGA ได้ทำในอากาศ (TGA- 50H, Shimadzu) และก๊าซ N2 (SDT Q600, TA เครื่องมือ จำกัด ) ผลการ TGA ชี้ให้เห็นว่าการทดลองที่ไม่ซ้ำกัน theWCG แสดงแนวโน้มซึ่งไม่พบในการทดสอบด้วยคาร์บอนบริสุทธิ์ ดังนั้นการวิเคราะห์ธาตุที่ถูกว่าจ้างสำหรับการประเมินสารอินทรีย์องค์ประกอบ(CHN-S: แฟลช 2000 เทอร์โมฟิชเชอร์; O: EA-1110, เทอร์โมเควส) ผลการศึกษาพบการปรากฏตัวของไฮโดรเจนและheteroatoms แม้หลังจากถ่านซึ่งหมายถึงปฏิกิริยาต่างๆรวมทั้งก๊าซที่มีอยู่ที่จะเกิดขึ้นในช่วงของอุณหภูมิทดลองตั้งแต่คาร์บอนได้รับการดำเนินการที่950 องศาเซลเซียส ปฏิกิริยาต่างๆเหล่านี้อาจเกิดขึ้นอันเนื่องมาจากก๊าซ; ดังนั้นการวิเคราะห์ก๊าซที่ได้ดำเนินการที่จะคิดออกก๊าซองค์ประกอบของห้องขั้วบวกที่สภาพการทดลองและระบุปฏิกิริยาก๊าซ WCG ถูกวางไว้ในเตาในแนวนอนและความร้อนแล้วที่อุณหภูมิเดียวกันการตั้งค่าด้วยที่ในการทดสอบไฟฟ้าเคมี เตาถูกวางอยู่ในสภาพสูญญากาศและจากนั้นได้รับการเลี้ยงด้วยก๊าซเท่นในอัตรา50 มลนาที 1 สุ่มตัวอย่างจนเสร็จ ในแต่ละหยุด, ผลิตภัณฑ์ก๊าซเป็นตัวอย่างและวิเคราะห์แล้วด้วย GC (7590A, Agilent Technologies) / MS (5975C, Agilent Technologies) นอกจากนี้การวิเคราะห์พื้นที่ผิว (Belsorp max, BEL ญี่ปุ่น. INC.) นอกจากนี้ยังเป็นตารางที่1 proxi